Klasická mechanika stojí na tom, že s matematickou prednostou možno urcit polohu planét v lubovolnom priestore v lubovolnom case. Pri pohyboch v atómoch však presáva klasická mechanika platit. Elektrón vnútri atómu sa nepohybuje len ako planéta, ale musí byt zároven vlnou. Nepohybuje sa teda po kruhovej dráhe, ale koná akýsi divný tanec okolo jadra, hned je tam a hned zas tu. A napriek tomu je v jeho pohybe istý rad.

Ak pohltí atóm svetelné kvantum, zacne elektrón poskakovat vo väcšej vzdialenosti od jadra.

Spôsob akým sa elektrón pohybuje pre nás ale nieje dôležitý. Podstatné je, že atóm má urcitú energiu, hovoríme, že sa nachádza na urcitej energetickej hladine. Tato energia je nemenná, dokial atóm nepohltí, alebo nevyžiari kvantum elektromagnetického žiarenia. K preskoku na vyššiu energetickú hladinu atóm musí pohltit kvantum s urcitou energiou, teda urcitej vlnovej dlžky. Táto vlnová dlžka sa dá vypocítat zo vzdialenosti hladín atómu. Medzi vyžiarením (emisiou) a pohltením (absorpciou) kvanta je ale urcitý rozdiel. Je zrejmé, že kvantum energie musí byt pohltené ihned po dopade. Co ale donúti atóm na vyšší energetickej hladine, aby ju opustil a vyžiaril energiu?, A tu sme u jadra veci. Atóm zostane na vyššej hladine rôznu dobu, podla toho ako stabilný bude jeho stav. Pre každú hladinu existuje urcitá stredná doba života, po ktorej atóm zotrváva. Existujú hladiny o velmi dlhej dobe života, kde sa atóm udržuje napr. i po dobu 2 sekundy. . Takým hladinám hovoríme metastabilné. Skôr alebo neskôr však atóm vyššiu hladinu opustí a vyžiari elektromagnetické kvantum. Uciní tak sám od seba, spontánne a preto hovoríme o spontánnej emisií žiarenia.

Kedy sa to stane je pre každý atóm vecou náhody. Co je pre jeden atóm vecou náhody, je pre bilióny atómov železným zákonom. V priemere atómy energiu jednak vyžarujú a jednak pohlcujú za presne neobmedzenú dobu.

Stimulovaná emisia
A tu sa dostávame k Albertovi Einsteinovi. V dobe vzniku kvantovej teórie na pociatku storocia bol v úzkych vstikoch s Maxem Planckem. Bol vlastne jedným z prvých, kto pochopil ich plný dosah a sám prispel k dalšiemu rozvoju. Einstein podal kvantové vysvetlenie fotoelektrického javu, tepelných vlastností kryštálov a konecne publikoval prácu zásadného významu, ktorou odvodil novým spôsobom Planckov zákon žiarenia cierneho telesa. V nej ukázal, že neexistujú iba dva procesy pri vzájomnom pôsobení látky a žiarenia, ale tri. Ak dopadá kvantum energie na atóm, ktorý sa nachádza na vyššej energetickej hladine a odmieta ju zatial opustit, môže k tomu byt prinútený. Pôvodný dopadajúci kvantum sa ale nepohltí. Výsledkom sú teda dve kvanta svetelnej energie, svetlo o dvojnásobnej energií. Tento jav dostal názov vynútená alebo indukovaná emisia žiarenia.

Žiarenie vznikajúce pri indukovanej emisií má iba jeden presne stanovený kmitocet, iba jednu vlnovú dlžku. Je to dané tým, že fotóny, ktoré na seba paprsok naberajú, vznikajú pri preskokoch atómov medzi rovnako vzdialenými hladinami.

Na rozdiel od spontánnej emisie, kedy je energia nehospodárne rozdelená do širokého spektra žiarenia, dáva nám indukovaná emisia svetlo jednofarebné (monochromatické). Jeho kmitocet a vlnová dlžka budú pritom vysoko stabilné a to nám dáva možnost vytvorit vysoko presné hodiny alebo štandard dlžkovej miery. Einstein i Dirac si boli vedomí toho, že vynútené žiarenie nebude vyžarované všetkými smermi, ale podla zákona zachovania impulzu bude presne smerované. Vzniknutý paprsok bude teda velmi úzky a svetelná energia bude koncentrovaná v malej oblasti priestoru. Okrem toho je možné ocakávat, že žiarenie prebehne velmi rýchle, pretože dopadajúci kvantum žiarenia vyvolá takmer okamžite vynútenú emisiu.

K praktickému využitiu vynútenej emisií a tím pádom ku konštrukcií bolo treba vyriešit dva rýdzo technické problémy.

1. Vytvorit nerovnovážny stav, kedy bude viac atómov na vyšších energetických hladinách než na hladinách nižších. V takom prípade hovoríme o populacnej inverzií a teleso nazývame aktívnym prostredím.
2. Nájst spôsob, ako udržat paprsok vnútri aktívneho prostredia dostatocne dlhú dobu, aby stihol nabrat co najviac energie vynútených emisií. Povedané slovami rádiotechnika: vytvorit príslušný rezonancný obvod so spätnou väzbou.

Maser

Historický vývoj rádiospektroskopie viedol od nepatrných dlžok smerom k mikrovlnám. Rádiotechnika naopak postupovala od vln dlhých a stredných k vlnám kratším. V 40. rokoch nášho storocia sa oba tieto obory stretli v oblasti mikrovln. Oba obory si navzájom vymenili poznatky a odborníci si boli nútený osvojit myšlienky a prístroje z toho druhého odvetvia. A tu, na rozhraní medzi dvoma obormi sa zrodila nová myšlienka – kvantový generátor mikrovln, mase [mejzr].

Ku konštrukcií kvantového generátoru, ako som sa už zmienil, bolo treba vyriešit dva rýdzo technické problémy: rezonancní obvod a aktívne prostredie. Pre mikrovlny slúži ako rezonancný obvod dutinový rezonátor. Bolo teda len treba vytvorit vhodné aktívne prostredie. Teoreticky sa o rôznych metódach vytvorenia aktívneho prostredia diskutovalo už niekolko rokov. Ostávalo teda, aby niekto tieto teórie previedol do praxe. Chýbala tu ale potreba kvantového generátoru mikrovln, pretože by bol výkon takého generátoru podstatne menší než výkon magnetronu. Látkou, ktorá posúžila ako aktívne prostredie prvého kvantového generátoru sa stal cpavok. Molekula cpavku má tvar štvorstenu, kde podstava je tvorená tromi molekulami vodíka a vrchol molekulou dusíku. Molekula vykonáva rôzne rotacné a kmitavé pohyby.